新冠肺炎单细胞研究中国联盟提供新冠免疫新认识 | Cell Press新冠中心论文速递

生命科学

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近日，中国科学家联合在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell《细胞》发表了一篇题为“COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas”的研究性论文，通过对196例新冠肺炎病人284个样本进行单细胞转录组测序，绘制了新冠肺炎病人的免疫图谱。本研究刻画了轻症与重症新冠肺炎病人在发病期和康复期的免疫特征，揭示了新冠病毒潜在的宿主细胞范围及其与免疫细胞的相互作用，并对细胞因子风暴潜在的源头细胞类型进行了分析，为新冠肺炎的预防控制与诊治提供了科学决策的依据。

该工作一经发表即受到国内外媒体的广泛报道，Cell Press细胞科学公众号特别邀请论文第一作者任仙文副研究员进行了专访，请他为大家进一步解读。

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研究背景

新型冠状病毒肺炎给全球社会经济带来了极大灾难，认识和理解机体对新冠病毒感染的免疫机理与特征对于诊疗与防控都具有重要意义。单细胞转录组测序技术可在分子与细胞层面对机体的免疫反应进行精细解析，是新冠肺炎研究的重要手段。然而该技术使用成本较高，现有新冠肺炎的单细胞研究存在样本量小、统计效力不足、结论不稳健等问题。

自发组建成立新冠肺炎单细胞研究中国联盟

为快速解决这一难题，中国科学家自发组建成立了“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”。该联盟覆盖了我国十多个省市，四十多家医院、大学和科研机构，包括了临床、检验、病理、单细胞测序、生物信息学、免疫学、病毒学、神经科学等十多个学科的专家。王福生院士、王红阳院士、卞修武院士三位院士团队亦加盟其中。联盟旨在以最快的速度协同建立新冠肺炎单细胞转录组大队列大数据，为揭示新冠肺炎发病机制和免疫学特征发出中国声音。

绘制了全球最大的新冠肺炎机体免疫反应单细胞图谱

经过四个半月的日夜奋战，联盟共获得196例新冠病人的单细胞转录组测序数据，数据规模超过25T，细胞数量接近150万个单细胞，包含轻症、重症新冠肺炎病人发病期与康复期的284个样本，样本类型包括外周血、痰液、肺泡灌洗液、胸水等，并对B细胞抗体谱、T细胞受体谱进行了测序分析。这些数据的获得与分析为揭示新冠病毒感染机制和在不同疾病发病阶段机体免疫反应特点奠定了基础。 

本研究揭示除上皮细胞外多种免疫细胞中也可以检测到新冠病毒的核酸序列

对病毒序列的分析显示，除了传统认为的呼吸系统上皮细胞以外，多种免疫细胞中也可以检测到新冠病毒，并且具有和上皮细胞中类似的亚基因组转录（subgenomic transcription）的特点，提示存在活跃转录、复制等生命迹象。这可能是新冠病毒区别于SARS冠状病毒的重要特点。新冠病毒核酸序列阳性细胞一般也具有更强的干扰素反应。基于尸检样本对新冠病毒S蛋白进行组织切片染色，进一步验证了这一发现。值得注意的是，新冠病毒受体蛋白ACE2在免疫细胞中几乎不表达，提示新冠病毒可能存在潜在的新受体来感染宿主细胞。

新冠病毒感染不同的上皮细胞类型会引发不同的反应

本研究显示，新冠病毒不仅可以感染多种细胞类型，而且在不同的细胞中会引发不同的反应。纤毛上皮细胞感染新冠病毒后更倾向于从组织上脱落下来，而不引起免疫反应。而鳞状上皮细胞感染新冠病毒后会倾向于与免疫细胞特别是中性粒细胞、巨噬细胞相互作用，从而触发与启动机体的免疫反应。特别地,新冠病毒特异诱导鳞状上皮细胞高表达的ANXA1、S100A8/9会在重症病人的发病期外周血中的免疫细胞中普遍上调，通过FPR1和TLR4等受体引发全身的、系统性的免疫反应风暴。

年龄、性别、疾病严重程度与阶段对外周血免疫细胞组成具有不同的影响

流行病学研究显示年龄与性别和新冠患者的病症严重程度有关，但具体的免疫机制并不清楚。本研究通过对本次大队列大数据的统计分析发现，年龄主要和中性粒细胞、幼稚CD8+ T细胞的降低相关，而性别差异主要体现在男性比女性具有更低水平的效应T细胞，年龄和性别通过影响病人的基础免疫力来影响新冠感染的严重程度。年龄、性别影响的细胞类群和疾病严重程度关联的细胞类型之间存在发育上的转化关系。

解析细胞因子风暴潜在的源头细胞类型

此外，本研究还揭示了与新冠严重程度相关的细胞因子风暴的源头。其中，巨核细胞以及单核细胞的部分亚群会高表达各类细胞因子，并在重症病人中具有更高的表达水平，是潜在的细胞因子风暴的来源。基于血浆的细胞因子检测实验证实了这些细胞在细胞因子风暴中的潜在作用。由于部分细胞因子是分泌型的，这些细胞因子也构成了外周血与肺部感染病灶相互作用的桥梁，形成了复杂的机体细胞因子相互作用网络。

面对新冠疫情的重大考验，中国科学家自发组织的单细胞测序联盟在短期内建立的新冠肺炎大队列和单细胞大数据，为揭示新冠肺炎发病机制和免疫特征提供了新认识和新线索，对于进一步更加有效地防控和治疗新冠肺炎具有重要意义。新冠肺炎单细胞研究中国联盟的成员单位包括：北京大学、海军军医大学、广州生物岛实验室、深圳湾实验室、首都医科大学附属佑安医院、中国科学技术大学等单位。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请任仙文副研究员代表“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

首先，请您介绍一下“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”是一个什么样的组织？

任仙文副研究员：

“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”是我国科学家面对新冠疫情自发形成的一个科研攻关小组。2019年底新冠肺炎的出现是一次突发公共卫生事件，而新冠病毒是一种全新的病毒类型，机体对新冠病毒感染会有什么样的反应是一个全新的科学问题。如果按照传统的研究范式各个课题组分别展开单细胞研究的话，这个问题在短时间内可能很难得到答案。这一点在我国科学家内部很快就有了共识，所以自发组建成立了新冠肺炎单细胞研究中国联盟，期望能够以最快的速度群策群力认识清楚机体对新冠感染的免疫反应，从而跑赢新冠肺炎的传播。联盟能够迅速形成并高效运转，应该离不开每位成员“放下小我，成全大我”的精神，这应该也是历史上面对大灾大难时每个中国人内心的想法。

CellPress：

本次研究应用的单细胞转录组测序技术（scRNA-seq）有哪些主要优势？

任仙文副研究员：

单细胞转录组测序技术是近十年来出现的一项革命性的组学技术。大家都知道上个世纪90年代“人类基因组计划”开启了生命科学研究的组学时代。组学时代的开启意味着人类对基因的研究不再局限于一个一个地看了，而是可以几千几万个一起看了，这种变化是一种从“局部”到“全景”、从“手工”到“流水线”式的变化。但是，细胞是生命的基本单元，十年前的组学技术只见基因，不见细胞。单细胞转录组测序技术的出现和蓬勃发展，标志着生命科学研究在“基因”和“细胞”两个维度都进入到了“工业化大生产”的时代。具体到新冠免疫反应的单细胞测序来说，人体的免疫系统是高度异质性的，不仅包括各种发育谱系的免疫细胞，即使同一谱系来源的免疫细胞在其生命周期中也存在各种状态，并且还会与其他类型的细胞相互作用、与新冠病毒及其感染的细胞相互作用，表现出高度的可塑性。单细胞转录组测序技术，正是解析细胞异质性的利器，它不仅可以刻画单细胞分辨率的细胞表型，还可以提供抗体或者T细胞受体的受体序列，这对于认识和理解机体的适应性免疫反应是至关重要的。

CellPress：

本次研究的一大亮点即是使用了由“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”（SC4, Single Cell Consortium for COVID-19 in China）所获得的大数据样本，能否请您介绍一下相关情况？

任仙文副研究员：

单细胞转录组测序技术可以在基因和细胞两个维度提供高通量、高精度的信息，但也存在一个缺点，那就是它的技术成本比较高。成本高就很难大规模应用，不能大规模应用就很难基于大样本得到稳定可靠的科学结论。在我国科学家启动“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”前，国际上报道的新冠的单细胞研究通常局限于十几个病例的队列规模，不同研究团队的发现不够深入，彼此也不尽一致,这样的发现或者结论很难用来指导新冠防疫的实践。鉴于这个认识，我国科学家自发组建成立了“新冠肺炎单细胞研究中国联盟”。联盟成立，使得队列规模从十几例变成了近200例，样本数从几十个变成了近300个，样本类型从原来单一的外周血或者肺部样本变成了覆盖多种样本类型，原来的研究是“单中心”，现在变成了“多中心”，原来的研究是单一技术平台，现在变成了多种技术平台。这种队列规模的扩大化、样本类型的多样化、技术平台和研究中心的平行化，不仅增大了研究的深度、广度，更提高了研究结论的可靠程度。具体来说，本次研究一次获得了新冠肺炎近150万个单细胞的转录组数据，数据量超过25TB，这应该是国际上最大规模的单细胞研究。这样的大数据，不再只是对具体病例免疫状态的刻画，更使得从中挖掘出与新冠诊治与防控相关的科学知识科学结论成为可能。例如，流行病学显示年龄、性别和新冠肺炎的严重程度等存在相关性，但是具体如何相关并不清楚。原来小规模的单细胞测序研究很难对此进行机制性的解析，但是本次研究的大队列大数据可以利用方差分析进行深入解析（详见文章的图2与图3）。

CellPress：

本次研究在上皮细胞和免疫细胞中发现了SARS-CoV-2序列，能否请您介绍一下相关情况？

任仙文副研究员：

SARS-CoV-2是一个全新的冠状病毒，本次新冠疫情之前人类对这个病毒的认识一无所知，更没有被这个病毒感染过。疫情发生以后，人类迫切需要对它的各种生物学性质进行准确认识，从而能更有效地进行诊治和防控。其中一个非常基本的生物学问题是：SARS-CoV-2的宿主细胞范围是什么？也就是SARS-CoV-2可以感染哪些人体细胞类型。这一问题的答案，对于判断它的传播途径、传播方式、感染部位以及会引发机体什么样的反应等等都具有基础性的、指导性的作用。由于研究的缺失，疫情初期人类只能从其他冠状病毒上获得的知识和经验来外推SARS-CoV-2可能的生物学特征，其中一个重要的认识是新冠病毒可以像SARS冠状病毒一样可以以ACE2为受体感染呼吸道上皮细胞。这一认识在疫情初期的诊治和防控中具有非常重要的指导作用。但是，这一认识毕竟是从SARS冠状病毒外推过来的，虽然得到了实验的证实，对于认识新冠病毒区别于SARS冠状病毒的新特性却没有太大帮助。新冠病毒是不是存在其他潜在的受体？会不会有更广的宿主细胞范围？这些问题都是悬在人类头上的达摩克利斯之剑。本次研究在上皮细胞之外的多种免疫细胞中发现SARS-CoV-2序列对于回答这两个问题具有非常重要的提示作用。本次研究在中性粒细胞、巨噬细胞、浆细胞、T/NK细胞中都检测到了SARS-CoV-2的核酸序列，并且具有和上皮细胞类似的亚基因组转录（subgenomic transcription）的特点，其中病毒核酸阳性细胞往往具有更强的干扰素反应。这些特点在多中心、多种技术平台上都得到了重复。这一结果提示，不同于SARS冠状病毒，新冠病毒可能具有更广的宿主细胞范围。特别地，新冠病毒可以感染免疫细胞，可能意味着更复杂的机体免疫反应，对于新冠肺炎的治疗、疫苗研发等等都具有重要的意义。在免疫细胞中，ACE2并不表达，也提示新冠病毒存在潜在的新受体来进入细胞。

CellPress：

为何巨核细胞和一些单核细胞的部分亚群可能是细胞因子风暴的潜在源头，能否请您介绍一下相关情况？

任仙文副研究员：

细胞因子风暴在部分重症新冠肺炎病人中被多次报道，尽管存在一些争议，例如有一些研究质疑细胞因子风暴在重症新冠肺炎病人中的普遍性及其与重症的关系，但是有一点是可以肯定的，那就是重症新冠肺炎病人的细胞因子表达情况相比于轻症患者或者健康对照发生了显著变化。鉴于单细胞转录组测序数据在基因和细胞两个维度的高精度和丰富信息含量，本次研究产生的数据特别适合分析究竟是哪些细胞高表达了哪些细胞因子，从而为推断细胞因子风暴的潜在来源提供依据。分析显示，外周血中的巨核细胞和单核细胞的部分亚群会显著高表达一系列的细胞因子，包括趋化因子、白介素、干扰素等，B细胞和T细胞表达的细胞因子种类和水平都相对较低。尽管部分T细胞亚群可能会表达较高的细胞因子水平，其细胞比例也相对较低。因此，我们认为单细胞转录组测序数据提示的巨核细胞和单核细胞的部分亚群可能是细胞因子风暴的潜在源头。在本次研究中，我们专门收集了几十个新冠肺炎病人的外周血，既进行了单细胞转录组测序又进行了基于血浆的细胞因子检测，验证了我们的发现，也进一步提示新冠相关的细胞因子风暴可能是由过激的天然免疫反应导致的。

CellPress：

本研究对新冠疫情的防控和治疗有什么样的指导意义?

任仙文副研究员：

本研究对新冠疫情的防控和治疗具有重要的指导意义，我谈一下我认为最重要的三点。首先，新冠病毒核酸序列可以在免疫细胞中检测到，意味着新冠病毒可能存在潜在的新受体，具有更广的宿主细胞范围，甚至更多的传播途径。在防控和治疗决策的过程中，应该围绕新冠病毒的这些感染特点制定更有针对性的策略，尤其要制定好备选计划以防漏网之鱼。其次，本次研究揭示了新冠病毒阳性的鳞状上皮细胞可以通过ANXA1-FPR1和S100A8/9-TLR4来启动和激活中性粒细胞和巨噬细胞的反应，其中ANXA1和S100A8/9在发病期重症病人中的各类免疫细胞中会普遍上调。这些关键配体、受体分子的聚焦，为研发新冠特效药提供了潜在的药物靶点。然后，本次研究获得了大量B细胞和T细胞的表型及其对应的抗体、T细胞受体的序列，这些数据为研发新的新冠特异的中和抗体或者细胞疗法以及疫苗评估提供了扎实的数据基础。特别值得注意的是，新冠病人之间几乎没有共同的抗体序列存在，这和被肠道病毒EV71感染后的抗体谱特征存在显著差别。肠道病毒EV71感染人体后会形成免疫记忆，那么新冠病毒感染后会不会形成有效的免疫记忆呢？我觉得这个问题现在尤为紧迫，特别是在疫苗大范围接种以后。

作者简介

任仙文 

副研究员

任仙文，北京大学生物医学前沿创新中心副研究员,国家自然科学基金优秀青年项目获得者。2004年毕业于南开大学，获生物科学、信息与计算科学双学位；2007年毕业于军事医学科学院，获遗传学硕士学位；2010年毕业于中国科学院数学与系统科学研究院，获得运筹学与控制论博士学位。2010年至2016年任职于中国医学科学院病原生物学研究所，致力于基于宏基因组测序的病原体检测分析。2016年任职于北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC），担任张泽民教授的co-PI，致力于单细胞转录组测序的生物信息学分析和肿瘤免疫的研究，针对大规模单细胞测序数据的聚类、注释、时空重建等重要前沿生物信息学问题提出了关键技术创新，在Cell、Nature、Nature Medicine、Cell Research、Nature Communications等国际知名杂志上发表论文50多篇。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Cell期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

COVID-19 immune features revealed by a large-scale single cell transcriptome atlas

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00148-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.053

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